Microscopia Eletrnica na EngenhariaDiego Augusto de Spolicristalino de material opticamente anisotrpico analisado sob luz polarizada, cada gro do material aparece com uma 1. INTRODUO Este trabalho tem a inteno de mostrar o funcionamento dos microscpios ptico (MO), eletrnico de varredura (MEV) e eletrnico de transmisso (MET). Os tipos de microscopia sero comparados e com uma explicao bsica de seu funcionamento dando nfase microscopia eletrnica de varredura, que ser abordada com maior profundidade. Ser tambm vista a utilizao na engenharia de materiais. 1.2 Comparaes, Funcionamento e utilizao dos tipos de Microscopia As estruturas dos materiais so em ltima anlise determinadas pelas suas respectivas microestruturas, ou seja, pelos defeitos e constituintes microestruturais que eles contm. A importncia do conhecimento e das anlises quantitativas das microestruturas tem levado a um contnuo desenvolvimento das tcnicas experimentais, particularmente a microscopia. A. Microscopia ptica

determinada cor, para uma dada posio da platina rotativa. A razo deste comportamento se d pelo fato de as propriedades pticas de uma superfcie opticamente anisotrpica variarem com as direes cristalogrficas.

A microscopia ptica tem como principal potencialidade permitir a anlise de grandes reas, alm de ser de utilizao simples, rpida e pouco dispendiosa. Figura 1 - Tipos de Microscopia ptica Dois tipos de microscpio ptico so utilizados na Aps a deformao, mesmo dentro de um mesmo anlise de materiais: de reflexo, tambm conhecido como gro, no se tem uma cor homognea como no caso das metalrgico e de transmisso. regies recristalizadas, uma vez que devido deformao, os O microscpio ptico de transmisso bastante gros apresentam regies que sofreram rotao em relao utilizado na anlise de materiais cermicos e polimricos, vizinhana. Este efeito possibilita a identificao e a como por exemplo no estudo e determinao da frao quantificao das regies recristalizadas e no recristalizadas. cristalizada em plsticos e vidros. As regies cristalinas Os metais opticamente anisotrpicos so geralmente os (opticamente anisotrpicas) podem ser facilmente "separadas" no-cbicos. As superfcies dos metais cbicos das regies amorfas (opticamente isotrpicas) com auxlio de sendo opticamente isotrpicas, podem de duas maneiras luz polarizada. Nos metais e semicondutores a penetrao da tornar-se opticamente ativas sob luz polarizada: por meio de luz, devido sua interao com os eltrons de conduo, ataque da superfcie do material ou por meio da deposio de muito pequena. Nestes casos, utiliza-se exclusivamente o uma pelcula epitaxial na superfcie do material, a qual se microscpio ptico de luz refletida. A resoluo do microscpio ptico determinada pelo comporta anisotropicamente. Esta pelcula, alm de comprimento de onda da luz visvel, que relativamente alta. Por comportar-se anisotropicamente, tem uma relao de orientao definida com o metal base, possibilitando seu microscopia pode-se observar grande parte dos defeitos cristalinos estudo sob luz polarizada a exemplos dos metais no-cbicos. (contornos de gro, contornos de macla e contornos de B. MICROSCOPIA ELETRNICA subgro) e constituintes microestruturais maiores que 0,5 mm. Materiais bem recozidos podem ter sua densidade de discordncias a) Interao entre o eltron e a matria determinada pela tcnica de cavidades de corroso. Neste caso, faz-se a A Figura 2 ilustra os processos de interao contagem da quantidade de locais onde as discordncias possveis durante a incidncia de um feixe de eltrons. "furam" a superfcie do cristal. Com relao ao comportamento sob luz polarizada, as superfcies de corpos de prova podem ser divididas em dois tipos: isotrpicas e anisotrpicas. Quando um corpo de prova

amostra, constituindo a chamada corrente da amostra.

Figura 2 - Interao do eltron e da matria Cada um destes eventos fornece informaes sobre a amostra. Os diversos tipos de eltrons refletidos e os eltrons absorvidos so utilizados em microscopia eletrnica de varredura. Os raios X so utilizados para identificar e quantificar os elementos presentes (vide Anlise qumica de micro-regies). Os eltrons transmitidos, particularmente os espalhados elasticamente, so utilizados em microscopia eletrnica de transmisso. A Figura 3 mostra de maneira esquemtica a interao do feixe de eltrons com a amostra slida e as profundidades tpicas de escape. Resumidamente, os sinais mais utilizados so os seguintes:

Figura 4 Interaes b) Microscopia eletrnica de transmisso(MET) 1 - O microscpio

Figura 3 - Esquemtico das Interaes - Eltrons Auger: energia levemente superior a 1500 eV e profundidade de escape entre 2 e 20, utilizados em espectroscopia Auger. - Eltrons secundrios: baixa energia, 50 eV, emergem de uma profundidade de 100 a 200 . Sua emisso depende sensivelmente da topografia da superfcie da amostra e apresenta imagem com boa profundidade de foco para aumentos entre 10 e 100 000 X. - Eltrons retroespalhados: apresentam imagem com menor resoluo que os eltrons secundrios; so refletidos principalmente por colises elsticas, de uma profundidade entre 300 e 400 A. Tm energia alta, podendo ser aproximadamente igual do feixe incidente. Indicado para aumentos at 2 000 X. - Eltrons absorvidos: correspondem frao dos eltrons primrios que perdem toda sua energia na

Figura 5 - Microscopio Eletrnico de Transmisso

Um microscpio eletrnico de transmisso consiste de um feixe de eltrons e um conjunto de lentes eletromagnticas encerrados em uma coluna evacuada com uma presso cerca de 10-s mm Hg. A Figura 5 mostra a seco esquemtica vertical de um aparelho que utiliza 100 kV como voltagem mxima de acelerao do feixe. Um microscpio moderno de transmisso possui cinco ou seis lentes magnticas, alm de vrias bobinas eletromagnticas de deflexo e aberturas localizadas ao longo do caminho do feixe eletrnico. Entre estes componentes, destacam-se os trs seguintes pela sua importncia com respeito aos fenmenos de difrao eletrnica: lente objetiva, abertura objetiva e abertura seletiva de difrao. A funo das lentes projetoras apenas a produo de um feixe paralelo e de suficiente intensidade incidente na superfcie da amostra. Os eltrons saem da amostra pela superfcie inferior com uma distribuio de intensidade e direo controladas principalmente pelas leis de difrao impostas pelo arranjo cristalino dos tomos na amostra. Em seguida, a lente objetiva entra em ao, formando a primeira imagem desta distribuio angular dos feixes eletrnicos difratados. Aps este processo importantssimo da lente objetiva, as lentes restantes servem apenas para aumentar a imagem ou diagrama de difrao para futura observao na tela ou na chapa fotogrfica. Deve-se finalmente destacar que embora existam em operao alguns aparelhos cuja tenso de acelerao de l000kV, a maioria dos equipamentos utilizados no estudo de materiais dispe de tenso de acelerao de at 200 kV. 2 - A preparao de amostras As amostras utilizadas em MET devem ter as seguintes caractersticas: espessura de 500 a 5000 A, dependendo do material e da tenso de acelerao utilizada e superfcie polida e limpa dos dois lados. Durante a preparao a amostra no deve ser alterada, como por exemplo atravs de deformao plstica, difuso de hidrognio durante o polimento eletroltico ou transformaes martensticas. Os corpos de prova podem ser de dois tipos: lminas do prprio material ou rplicas de sua superfcie. A preparao de laminas finas de metais e ligas segue normalmente a seguinte seqncia: corte de laminas de 0,8 a 1,0 mm de espessura, afinamento por polimento mecnico at 0,10-0,20 mm de espessura e polimento eletroltico final. O afinamento final por polimento eletroltico duplo mostrado na Figura 6. A Figura 7 mostra defeitos cristalinos e precipitados observados por MET de lminas finas. Quando se est interessado na superfcie da amostra, freqentemente utiliza-se a tcnica da rplica (Fig.8).

Figura 6 - Polimento eletroltico duplo

Figura 7 - Micrografias obtidas por MET de um ao inoxidvel austentico. Trs tipos de rplica so normalmente utilizados: plstico, carbono e xido. Na tcnica de rplica de plstico, uma soluo fraca de plstico em um solvente voltil, por exemplo formvar em clorofrmio, gotejada na superfcie da amostra. O solvente se evapora e deixa um filme, podendo ser retirado, e que representa o "negativo" da superfcie. Na rplica de carbono, este material evaporado na superfcie da amostra. Esta

tcnica pode ser utilizada tambm para arrancar partculas de precipitados da amostra, a chamada rplica de extrao. Na rplica de xido, usada principalmente para ligas de alumnio, o filme de xido obtido por anodizao de uma superfcie previamente polida eletroliticamente. Nos trs tipos de rplica o contraste tem origem nas variaes de espessura. No caso de partculas extradas, um contraste adicional aparece, pois as partculas, se forem cristalinas, difratam eltrons.

contendo uma regio mais densa, B. e uma regio, A, menos densa. A regio mais densa B espalha mais intensamente os eltrons, de modo que estes so em maior frao retidos pela abertura do que aqueles provenientes da regio A.

Figura 10 - Origem do contraste em slidos amorfos 4 - Formao de imagens: slidos cristalinos Enquanto que para slidos amorfos razovel supor uma distribuio uniforme de eltrons espalhados, para slidos cristalinos a transparncia a eltrons depende das condies de difrao que diferem bastante conforme a direo. Quando um feixe de eltrons passa por uma lamina fina de material cristalino, somente aqueles planos quase paralelos ao feixe incidente contribuem para a figura de difrao (vide Fig. 11). Por exemplo, um feixe acelerado com 100 kV tem comprimento de onda 0,04 A e pela lei de Bragg difratar para o ngulo de 0,01, isto , planos praticamente paralelos ao feixe incidente. Conforme utilizemos os eltrons difratados ou os eltrons transmitidos para se fazer imagem, obteremos os chamados campo escuro e campo claro, respectivamente. As vrias possibilidades de formao de imagem em uma amostra cristalina esto ilustrados na Figura 12. A micrografia da Figura 13 mostra a mesma regio em campo claro e em campo escuro.

Figura 8 - Preparao de rplicas 3 - Formao de imagens: slidos amorfos Durante a passagem de eltrons atravs de uma lamina fina de slido amorfo ocorre espalhamento dos eltrons em praticamente todas as direes (Fig. 9).

Figura 9 - Interao do feixe de eltrons incidentes com amostra slida Este espalhamento causado pela interao do eltron incidente com o ncleo dos tomos da amostra. Ele tanto mais intenso quanto mais denso for o material, mais espessa a amostra e maior o nmero atmico do material da amostra. A Figura 10 ilustra o aparecimento do contraste na formao da imagem de um material amorfo

Figura 11 - Formao de imagem de material cristalino Figura 14 - Deduo da frmula bsica de difrao em MET Todo spot de difrao em MET representa um ponto do espao recproco* que, por sua vez, corresponde a um plano (h, k, 1) no espao real. O diagrama de difrao corresponde aproximadamente a uma seco plana atravs do espao recproco, perpendicular ao feixe incidente. A Figura 15 ilustra as figures de difrao que podem ser obtidas para os diferentes materiais: monocristais, policristais e materiais amorfos.

Figura 12 - Tipos de imagens obtidas em MET

Figura 13 - Micrografias obtidas por MET de ao inoxidvel austentico 5 - Difrao de eltrons em MET Em 1924, De Broglie afirmava que partculas podem atuar como ondas; em 1927, Davisson e Germer realizavam experimentalmente a difrao de eltrons confirmando as previses de De Broglie. O advento da MET possibilitou o estudo de micro-regies da ordem de 1 ,um por difrao de eltrons. Combinando-se as relaes geomtricas obtidas da Figura 14 (sen = R/2L) com a lei de Bragg obtm-se:

Figura 15 - Tipos caractersticos de figures de difrao

c) Microscopia eletrnica de varredura A Figura 16 ilustra o modo de funcionamento do microscpio eletrnico de varredura.

aumentos crescentes e em MET s com o auxilio de rplicas podem-se analisar superfcies, com MEV qualquer superfcie boa condutora eltrica e estvel em vcuo pode ser analisada com boa profundidade de foco. Materiais isolantes devem ser recobertos com uma fina camada de material condutor. 1 - A fonte de eltrons O feixe de eltrons vem de um filamento, feito de vrios tipos de materiais. O mais comum o tungstnio. Esse filamento um loop de tungstnio que funciona como catodo. O anodo, o qual positivo em relao ao filamento, fortes foras atrativas para os eltrons. Isso faz com que os eltrons sejam acelerados atravs do anodo e travs da coluna, at atingir a amostra.

Figura 16 - Princpio de funcionamento do microscpio eletrnico de varredura Neste tipo de microscpio, os eltrons so acelerados na coluna atravs de duas ou trs lentes eletromagnticas por tenses de 1 a 30 kV. Estas lentes obrigam um feixe de eltrons bastante colimado (50 a 200 A de dimetro) a atingir a superfcie da amostra. Bobinas de varredura obrigam o feixe a varrer a superfcie da amostra na forma de uma varredura quadrada similar a uma tela de televiso. A corrente que passa pela bobina de varredura, sincronizada com as correspondentes bobinas de deflexo de um tubo de raios catdicos, produz uma imagem similar mas aumentada. Os eltrons emitidos atingem um coletor e a corrente resultante amplificada e utilizada para modular o brilho do tubo de raios catdicos. Os tempos associa dos com a emisso e coleta dos eltrons, comparados com o tempo de varredura, so desprezveis, havendo assim uma correspondncia entre o eltron coletado de um ponto particular da amostra e o brilho do mesmo ponto na tela do tubo. O limite de resoluo de um MEV cerca de uma ordem de grandeza melhor do que o do microscpio ptico (MO) e um pouco mais que uma ordem de grandeza pior do que a do microscpio eletrnico de transmisso (MET). Enquanto em MO a profundidade de foco decresce sensivelmente para

Figura 17 - Fonte de Eltrons 2 - Passagem do Feixe atravs da Coluna Os eltrons so criados no acelerador de eltrons, localizados no topo da coluna. Esse feixe atrado pelo nodo, condensado pelas lentes condensadoras e, focalizadas em um ponto na amostra pelas lentes objetivas. As bobinas de varredura so energizadas (variando a tenso produzida pelo gerador de varredura) e criando um campo magntico o qual desvia o feixe de um lado para o outro de uma maneira controlada. A variao de tenso tambm aplicada s bobinas que envolvem o tubo de raios catdicos (TRC) que produz um feixe padro que desviado pra frente e para trs

na superfcie do TRC. O padro de desvio do feixe de eltrons o mesmo do desvio do ponto de luz no TRC. O feixe de eltrons atinge a amostra, produzindo eltrons secundrios que so coletados por um detector secundrio, convertidos em uma tenso, e amplificado. A tenso amplificada aplicada malha do TRC e causa a mudanas na intensidade do ponto de luz. A imagem consiste em milhares de pontos de variao de intensidade luminosa na face do TRC que correspondem topografia da amostra.

Figura 19 - Lentes Magnticas 4 - Preparao Existem dois tipos bsicos de microscpios eletrnicos de varredura. O tipo normal que requer uma amostra condutora. Um microscpio eletrnico de varredura ambiental pode ser usado para examinar uma amostra no condutiva sem revesti-lo com material condutor. So necessrios trs requisitos para preparar amostras para o SEM normal: Figura 18 - Passagem dos Eltrons pela Coluna 1. Remover toda a gua, solventes ou outros materiais que possam vaporizar no vcuo 3 - Usando o Vcuo 2. Quando um MEV usado, a coluna sempre deve estar no vcuo. Existem muitas razes para isto. Se a amostra est num ambiente gasoso, um feixe de eltrons no pode ser gerado ou mantido devido grande instabilidade no feixe. Gases podem reagir com a fonte de eltrons, causando a queima, ou fazendo os eltrons ionizarem, o que produz descargas aleatrias e leva instabilidade no feixe. A transmisso do feixe atravs da coluna ptica de eltrons tambm ser impedida pela presena de outras molculas. Essas outras molculas, que podem ser da prpria amostra ou do microscpio, podem formar compostos e condensar na amostra. Isto poder diminuir o contraste e esconder detalhes da imagem. Um ambiente vcuo tambm necessrio na parte de preparao da amostra amostras Amostras no-metlicas, como insetos, plantas, unha e cermica, devem ser revestidos com uma camada metlica, para se tornarem condutores. Amostras metlicas podem ser colocadas diretamente no SEM. Monte firmemente todas as

Figura 20 - Amostra Preparada

Figura 21 - Lentes Objetivas

Figura 22 - Vista de um espaador ampliado com o MEV